JPH06160102A

JPH06160102A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH06160102A
Application number: JP4335373A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Horikawa; 俊朗堀川; Mikio Suzuki; 幹男鈴木
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 1992-11-20
Filing date: 1992-11-20
Publication date: 1994-06-07

Abstract

(57)【要約】【構成】ベース１２に立設された振動子１４と、前記
振動子１４にＸ軸方向に対し４５度傾いた方向の振動力
を印加する加振手段１６と、前記振動子１４のＸ軸方向
及びＹ軸方向への変位を検出する変位検出手段１８と、
前記変位検出手段１８により検出された振動子１４のＸ
軸方向への変位量とＹ軸方向への変位量の和より、振動
子１４の振動制御を行う振動制御手段と、前記変位検出
手段１８により検出された振動子１４のＸ軸方向への変
位量とＹ軸方向への変位量の差の変動量より、角速度を
演算する角速度演算手段と、を備えたことを特徴とする
振動ジャイロ。【効果】振動子１４をＸ軸方向に対し４５度傾けて加
振しているため、入力角速度に対応するコリオリの力に
よりＸ軸及びＹ軸方向の両方に変位量の変動が生じる。
従って、前記Ｘ軸とＹ軸の変位量の差の変動量を求める
ことにより、高感度、高精度の角速度検出が可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動ジャイロ、特に強制
振動された振動手段の振動方向と直交する方向に働くコ
リオリの力より角速度を求める振動ジャイロの改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来ジャイロは船舶、航空機等の特殊な
用途に用いられているのみであったが、近年では自家用
自動車等のナビゲーションシステム、或いは軌道を要し
ない自走ロボット等にも使用されるようになっている。
これらのシステムは、ジャイロの出力を積分して方位を
決定し、且つ移動速度を積分して移動距離を求め、方位
及び移動距離に基づいて現在位置を把握するものであ
り、ジャイロの僅かな誤差も累積されてしまう。このた
め、これらの分野で用いられるジャイロには、極めて高
い角速度検出機能と共に、小型、低価格、高い耐久性等
のきびしい条件が要求されており、これらの要求に応え
るジャイロの開発が急務である。

【０００３】ジャイロとしては従来より各種の原理に基
づくものが開発されているが、角速度検出感度の高さ等
からいわゆる振動ジャイロ或いは音叉ジャイロが注目さ
れている（特公平２−５７２４７号公報等）。この振動
ジャイロは、振動している物体に回転角速度を加える
と、その振動と直角方向にコリオリの力が働く現象を応
用したものであり、振動子を一定方向に振動させ、前記
回転角速度による振動子の振動方向と直交する方向への
変位量を検出し、該変位量から方位を決定するものであ
る。そして、従来はＸ軸を基準軸とし、前記振動子に該
Ｘ軸方向の振動力を印加しておき、回転角速度による振
動子のＸ軸方向と直交するＹ軸方向への変位量を変位検
出器により検出し、角速度を得ていた。即ち、前記回転
角速度によるＹ軸方向の変位量の検出信号を、基準軸で
あるＸ軸方向の変位量の信号を基準信号とし信号処理し
た後、演算処理して角速度を得るのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来の
振動ジャイロはＸ軸を基準軸とし、振動子をＸ軸方向に
振動させているため、回転角速度が全く入力されない状
態では、当然変位検出器において検出されるＹ軸方向の
変位量は０となる。また、非常に微弱な回転角速度が入
力された場合、変位検出器において検出されるＹ軸方向
の変位量も微小となる。そして、前記微弱な角速度をＹ
軸方向の微小な変位量でのみ検出すると、角速度検出に
おいて満足できる精度及び感度が得られないという課題
があった。

【０００５】また、前記Ｙ軸方向の微弱な検出信号から
角速度を得るためには該検出信号を非常に高倍率に増幅
しなければならい。そして、前記検出信号にはノイズや
外乱が含まれており、検出信号を高倍率で増幅すると、
当然該ノイズや外乱も同様に高倍率に増幅されるため角
速度検出精度及び検出感度が低下するという問題もあっ
た。また、前記信号を高倍率に増幅することにより、信
号処理が非常に不安定になるとともに、高倍率に増幅す
るための増幅器のコストが高いという欠点もある。本発
明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、そ
の目的は入力された回転角速度が微弱な場合でも、極め
て高精度、高感度で角速度検出が可能な小型、低価格の
振動ジャイロを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明にかかる振動ジャイロは、ベースに立設された
振動手段と、前記振動手段にＸ軸方向に対し４５度傾い
た方向の振動力を印加する加振手段と、前記振動手段の
Ｘ軸方向及びＹ軸方向への変位を検出する変位検出手段
と、前記変位検出手段により検出された振動手段のＸ軸
方向への変位量とＹ軸方向への変位量の和より、前記振
動手段の振動制御を行う振動制御手段と、前記変位検出
手段により検出された振動手段のＸ軸方向への変位量と
Ｙ軸方向への変位量の差の変動量より、角速度を演算す
る角速度演算手段と、を備えたことを特徴とする。

【０００７】また、請求項３記載の振動ジャイロは、前
記加振手段が、前記振動手段に設けられ、振動手段の軸
芯を含む平面によってＮ極とＳ極とに分れた磁石部と、
前記振動手段の軸芯と同軸上に軸芯を有するように円筒
状に巻回され、かつ前記磁石部に該円筒状の中央部内面
が近接するように配置された励振コイルと、を備え、前
記励振コイルに周期的に励磁電流を流すことにより生じ
る磁石部と励振コイル間の磁気モーメントによって前記
振動手段にＸ軸方向の振動力を印加することを特徴とす
る。

【０００８】

【作用】本発明にかかる振動ジャイロは前述したように
加振手段により振動手段をＸ軸方向に対して４５度傾か
せて強制振動させている。従って、前記Ｘ軸方向に対し
４５度傾いた基準振動の状態において、振動手段の変位
はＸ軸方向及びＹ軸方向とも同一変位量で変位検出手段
により検出される。この状態で角速度ωが入力される
と、角速度ωに対応したコリオリの力Ｆｃが働き、振動
手段は前記基準振動であるＸ軸方向に対し４５度傾いた
振動方向から該傾きの角度が変化した方向に振動する。
このため、振動制御手段により振動手段のＸ軸方向とＹ
軸方向の変位量の和を一定に制御しておけば、入力角速
度ωに対応したコリオリの力Ｆｃにより、前記振動方向
が変化する振動手段のＸ軸方向の変位量とＹ軸方向の変
位量は反比例しながらそれぞれ変化する。従って、角速
度演算手段において、前記Ｘ軸方向の変位量とＹ軸方向
の変位量の差の変動量に基づき入力角速度ωを出力する
ことが可能となる。

【０００９】このように本発明にかかる振動ジャイロ
は、Ｘ軸方向の変位量とＹ軸方向の変位量の差の変動量
に基づき入力角速度ωを求めるため、微弱な角速度も高
感度で検出できると共に、ノイズや外乱等の信号はＸ軸
方向及びＹ軸方向の検出信号に同程度に含まれるため、
Ｘ軸方向とＹ軸方向の変位量の差においては、該ノイズ
や外乱等の影響を受けることなく極めて高精度で角速度
検出を行うことが可能となる。さらに、前記振動手段の
基準振動をＸ軸方向から４５度傾けた方向とすることに
より、該基準振動において既にＸ軸及びＹ軸の両方向と
もに大きな検出信号が得られるので、大きな増幅度を必
要とせず、安定した信号処理が可能となる。

【００１０】また、本発明にかかる請求項３記載の振動
ジャイロの加振手段は、振動手段の軸芯と同軸上に軸芯
を有する円筒状励振コイルを設けているので、前記円筒
状励振コイルに励磁電流を流すと、振動手段の軸芯と平
行に磁界が発生する。そして、前記磁界により振動手段
に設けられた磁石部と励振コイル間に磁力が生じ、該磁
力に基づく磁気モーメントにより振動手段を加振させて
いる。さらに、前記磁石部と円筒状励振コイルの中央部
内面を近接して配置しているため、励振コイルに流す励
磁電流が微少でも振動手段を加振することができ、かつ
励振コイルを小型化することができる。さらに、振動手
段と励振コイルの軸芯を同軸上に配置することにより、
組立精度を高くすることが可能となる。

【００１１】

【実施例】以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を
説明する。図１には本発明の一実施例にかかる振動ジャ
イロが示されており、同図（Ａ）は側断面図、（Ｂ）は
正面断面図である。同図に示す振動ジャイロ１０は、ベ
ース１２と、該ベース１２に立設した振動手段としての
振動子１４と、振動子１４を振動させる加振手段１６
と、光電型エンコーダよりなる変位検出手段１８とを備
える。そして、ベース１２には筒状のハウジング２０が
設置され、該ハウジング２０はその上端で変位検出手段
１８を支持している。前記振動子１４は丸棒状に形成さ
れ、該振動子１４の上端にはメインスケール２２が設け
られている。

【００１２】また、加振手段１６は、ドーナツ状に形成
された磁石板２４と、前記振動子１４の軸芯と同軸上に
軸芯を有するように円筒状に巻回された励振コイル２６
とを有している。そして、前記ドーナツ状の磁石板２４
は、その中央の穴が振動子１４の先端側に嵌合されてい
る。また、前記円筒状の励振コイル２６は、その中央部
内面が前記ドーナツ状の磁石板２４の外周と近接するよ
うに配置され、ハウジング２０の内壁に固定されたコイ
ルボビン２８に巻回している。さらに、前記振動子１４
に嵌合された磁石板２４は、該磁石板２４の平面断面図
である図２に示すように振動子１４の軸芯を通るＹ軸を
該軸芯を中心に時計と逆回りに４５度回転させたｙ軸に
よってＮ極とＳ極とに分れている。なお、前記振動子１
４のｙ軸方向及び該ｙ軸方向と直交するｘ軸方向の共振
周波数は略同一である。

【００１３】本実施例にかかる振動ジャイロ１０は概略
以上のように構成され、次に図３〜図５により本発明の
加振手段１６及び角速度の検出機構を説明する。まず、
図３に示す励振コイル２６を所定の周期で励磁させると
（図４（Ａ））、励振コイル２６の軸芯、即ち振動子１
４の軸芯と平行に磁界が発生する。そして、前記磁界の
極の方向は、励振コイル２６に流す電流の方向によって
決定される。即ち、図３に示す励振コイル２６の巻始め
側から巻終り側へと順方向に電流を流すと、励振コイル
２６の図中上側にＮ極が、下側にＳ極が発生する。ま
た、逆に励振コイル２６の巻終り側から巻始め側へと逆
方向に電流を流すと、励振コイル２６の図中上側にＳ極
が、下側にＮ極が発生する。

【００１４】そして、図３に示すように磁石板２４の例
えば図中右側にＮ極、左側にＳ極が位置した場合、前記
励振コイル２６に順方向の電流を流すと、前述したよう
に図中上側にＮ極が、下側にＳ極が発生するため、磁石
板２４のＳ極である左側には上側に引上げられ力が、逆
にＮ極である右側には下側に押し下げられる力が夫々発
生する。また、励振コイル２６に逆方向の電流を流す
と、前述したように発生する磁界の極の方向が反対とな
るため、磁石板２４のＳ極である左側には下側に押し下
げられ力が、Ｎ極である右側には上側に引上げられる力
が発生する。このため、前記磁石板２４に発生する上側
に引上げられる力を＋Ｆｍ、下側に押し下げられる力を
−Ｆｍとし、振動子１４の軸芯から磁石部２４のドーナ
ツ状の幅の中心点までの距離をｌとすると、振動子１４
は、Ｍ＝２Ｆｍｌ（Ｍ：曲げモーメント）の曲げモーメントを受けることとなる。

【００１５】従って、振動子１４の共振状態での振動波
に同期して、図３に示す励振コイル２６の巻始め側から
巻終り側へと順方向に、次に巻終り側から巻始め側へと
逆方向に交互に励振コイル２６へ電流を流すことによっ
て発生する、前記曲げモーメントにより振動子１４が加
振されることとなる。ここで、前述したように磁石板２
４のＳ極とＮ極は、振動子１４の軸芯を通るＹ軸を該軸
芯を中心に時計と逆回りに４５度回転させたｙ軸によっ
て分れている。従って、前記加振された振動子１４は、
図３（Ａ）に示すｘ軸方向（図５に示すＰ₁(Px,Py)−Ｐ
₂(-Px,-Py)）に振動する。即ち、振動子１４の基準振動
となる振動方向は、ＸＹ座標に対して時計と逆回りに４
５度回転させたｘｙ座標におけるｘ軸方向となる。

【００１６】従って、前記振動子１４のｘ軸方向の基準
振動は、図４（Ｂ），（Ｃ）に示すように、Ｘ軸方向及
びＹ軸方向に対してそれぞれ同一振幅の振動となる。以
上のように励振コイル２６へ電流を流すことによって振
動子１４を加振させ、さらに励磁周期を調整し、振動子
１４の略共振周波数ｆでｘ軸方向に振動させる。そし
て、前記強制振動させている振動子１４に例えば既知の
角速度ω_aを入力し、励振コイルの出力波形と、コリオ
リの力により発生するｙ軸方向の振幅の波形を比較し、
共振周波数ｆや励振コイルの出力を微調整し、振動速度
Ｖｘが一定の大きさとなるようにする（図４（Ｄ））。
これに対し、未知の角速度ωが入力されると、角速度ω
に対応するコリオリの力Ｆｃが図３（Ａ）に示すｙ軸方
向に発生する（図４（Ｅ））。前述したように振動子１
４の共振周波数ｆは、ｘ軸，ｙ軸方向ともに同じである
から、振動子はｙ軸方向にも振動する。

【００１７】この結果、ｙ軸方向への振動の振幅を測定
することにより、コリオリの力、すなわち角速度ωを検
出することができるのである。ここで、前述したように
ｘ軸方向への強制振動において、Ｘ軸及びＹ軸方向へ同
一振幅の振動をしているため、前記ｙ軸方向への振動は
Ｘ軸及びＹ軸方向への振動の振幅に対してそれぞれ変化
を生じさせる（図４（Ｆ），（Ｇ））。従って、前記変
化したＸ軸及びＹ軸方向への振動の振幅より、前記ｙ軸
方向への振動の振幅を検出することができるのである。
次に前記振動子１４のｘ軸方向の振動を制御するための
振動制御手段について説明する。

【００１８】前述したように、角速度ωが加わると、振
動子１４はｙ軸方向にも振幅するため図５に示すＱ₁(Q
x,Qy)−Ｑ₂(-Qx,-Qy)の軌跡を描く。一方、角速度ωは
ｙ軸方向の速度Ｖｙ（速度最大点＝ｙ軸振幅がゼロにな
る点）に比例する。また、Ｖｙは、Ｖｘ（ｘ軸方向速
度）にも比例するため、Ｖｘを一定に制御すれば角速度
ωはＶｙの変化のみに比例することとなる。ここで、振
動子１４の原点からの距離ｘ及び速度Ｖｘはそれぞれ次
の数１により示される。

【数１】ｘ＝Ｐｘ・ｓｉｎ２πｆ・ｔＶｘ＝ｄｘ／ｄｔ＝２πｆ・Ｐｘ・ｃｏｓ２πｆ・ｔなお、Ｐｘ：最大振幅，ｆ：周波数，ｔ：時間である。
前記数１より、最大速度はｃｏｓ２πｆ・ｔ＝１又は−
１の時に、Ｖｘ＝２πｆ・Ｐｘとなる。

【００１９】ここで、振動子１４をその共振周波数ｆで
振動させ、かつ振幅Ｐｘが常に一定になるように制御す
る必要がある。そして、前述したようにｘｙ座標はＸＹ
座標を時計と逆回りに４５度回転させた座標であり、振
動子１４のｘ軸方向への振動は、ＸＹ座標におけるＸ軸
方向及びＹ軸方向に対してはそれぞれ同じ振幅をするた
め、ｘ軸における前記振幅ＰｘとＸ軸方向の振幅Ｘ及び
Ｙ軸方向の振幅Ｙとの関係は、

【数２】ｘ＝１／２^1/2（Ｘ＋Ｙ）となる。従って、振幅Ｘと振幅Ｙとの和を一定に制御す
れば振幅Ｐｘも一定となる。

【００２０】そこで本実施例においては、自励振制御機
構を採用し、図６に示すように振動波検出手段３０及び
加振制御手段３２を設けており、該振動波検出手段３０
として光電型エンコーダ１８のＸ軸エンコーダ１８ａ、
Ｘ軸プリアンプ３４及びＹ軸エンコーダ１８ｂ、Ｙ軸プ
リアンプ１８ｂを、また加振制御手段３２として移相器
３６、自動制御利得回路（ＡＧＣ）３８及び増幅器４０
を備えている。そして、Ｘ軸エンコーダ１８ａにより振
動子１４のＸ方向への振動状態を、Ｙ軸エンコーダ１８
ｂにより振動子１４のＹ方向への振動状態をそれぞれ検
出し、Ｘ軸エンコーダ１８ａの出力をＸ軸プリアンプ３
４により、Ｙ軸エンコーダ１８ｂの出力をＹ軸プリアン
プ５４により増幅して、それぞれ増幅された出力信号の
和が移相器３６により適正な位相に変移され、振動子１
４を振動させる同期と必要な大きさを得るため、増幅器
４０に入力される。また、Ｘ軸プリアンプ３４の出力と
Ｙ軸プリアンプ５４の出力の和はＡＧＣ３８にも入力さ
れ、この正弦波の振幅を検出して振動子１４の加振に必
要な利得を増幅器４０に指示する。

【００２１】そして、増幅器４０は所望の加振利得で、
かつ振動子１４の共振状態に同期して、前記加振手段１
６に加振制御が行なわれる。また、本実施例にかかる角
速度演算手段５０は、前記Ｘ軸プリアンプ３４からの出
力とＹ軸プリアンプ５４からの出力との差を用いる。即
ち、本実施例においては前述したように振動子１４をＸ
Ｙ座標から４５度傾いたｘｙ座標におけるｘ軸方向に振
動させているため、該基準振動においてＸ軸方向へもＹ
軸方向へもそれぞれ同じく変位している。そして、角速
度が入力されると振動子１４はｙ軸方向へも振動をし、
Ｘ軸方向及びＹ軸方向の変位量にそれぞれ該ｙ軸方向の
振幅に対応した変動が生じる。ここで、前記ｘ軸方向は
Ｘ軸方向から４５度傾いており、該４５度を基準にコリ
オリの力により変化する微小角の範囲においてＸ軸方向
とＹ軸方向の振幅波形はそれぞれ略直線となる。そし
て、前記加振制御手段によりＸ軸方向とＹ軸方向の変位
量の和は一定に制御されているため、前記角速度の入力
によるＸ軸方向とＹ軸方向の変位量の変動は反比例の関
係にあるものと擬制される。従って、前記Ｘ軸方向とＹ
軸方向の変位量の差もｙ軸方向の振幅に比例すると考え
てよい。

【００２２】しかしながら、前記振動子１４をｘ軸方向
に振動させることにより得られるＸ軸方向及びＹ軸方向
の大きな検出信号も前記それぞれの差を取ってから同期
検波等の信号処理をしたのでは、該差の検出信号におい
て桁落ちしてしまい、ＳＮ比が低下してしまう。そこ
で、本実施例においては、図６に示す角速度演算手段５
０を用いている。即ち、前記角速度演算手段５０は、前
記それぞれの検出信号の差を取る前に、Ｘ軸プリアンプ
３４からの検出信号をＸ軸同期検波回路（ＰＳＤ）４２
において、Ｙ軸プリアンプ５４からの検出信号を基準信
号として信号処理し、同様にＹ軸プリアンプ５４からの
検出信号をＹ軸ＰＳＤ４４において、Ｘ軸プリアンプ３
４からの検出信号を基準信号として信号処理する。そし
て、前記ぞれぞれの処理信号の差が、演算回路４６に入
力される。ここで、角速度ωはｙ方向振幅に比例するか
ら、演算回路４６において、係数Ａを適当に調整し、乗
算することにより乗算値は角速度ωとなる。さらに、積
分演算器により積分を行えば、角度出力を得ることがで
きる。

【００２３】なお、本実施例においは、Ｘ軸プリアンプ
３４及びＹ軸プリアンプ５４からの検出信号の中から基
準信号に同期した変動成分を抽出する手段として、Ｘ軸
ＰＳＤ４２及びＹ軸ＰＳＤ４４を用いたが、例えば変調
器あるいは乗算器等を用いることも、あるいはマイコン
チップ等のソフトによるコンピュータ処理によって検出
することも可能である。以上のようにして本実施例にか
かる振動ジャイロによれば、振動子１４の共振状態に同
期して、該振動子１４の振幅が一定になるように制御す
ることができる。また、振動子１４の基準振動をＸ軸か
ら４５度傾けたｘ軸方向とすることにより、角速度入力
によるｙ軸方向の振幅をＸ軸とＹ軸の両方の変位の変動
から検出することができ、さらに該Ｘ軸及びＹ軸方向に
おける大きな検出信号において同期検波処理した後にそ
れぞれの処理信号の差をとり角速度演算を行っているた
め、検出信号の桁落ちを最小限に抑え、ＳＮ比の高い角
速度信号を得ることができる。

【００２４】次に図７〜図１４に基づき本発明にかかる
変位検出手段１８について説明する。図７には、本発明
の一実施例にかかる光電型エンコーダの基本構成を示す
縦断面図が示されており、また図８には図７に示すＩー
Ｉ線での断面図が示されている。同図において、光電型
エンコーダ１８は、そのメインスケール２２が移動部材
５６に設けられ、又インデックススケール２１が移動部
材５８に設けられている。そして、移動部材５６，５８
の相対移動量を検出するものである。インデックススケ
ール２１の図６中上面には、一個の発光素子６０及び四
個の受光素子６２ａ，６２ｂ，…６２ｄが配置されてい
る。発光素子６０及び各受光素子６２のリード線は、プ
リント基板６４に固定されている。

【００２５】前記メインスケール２２には、図９に示す
縞状格子６８が形成されており、該縞状格子６８は、中
央に透明面７０が設けられ、該透明面７０から外側に向
って、Ｘ軸とＹ軸方向とにそれぞれ平行な２組の平行線
からなるロ字状のクロム蒸着反射面７２と透明面７０と
が交互に繰り返し形成され構成されている。また、前記
ロ字状の一つの透明面７０と該透明面７０の外側に隣接
する一つの反射面７２を１パターンとし、該１パターン
のピッチＰ₁〜Ｐ_nが同一に形成されている。さらに、図
１０に示すようにロ字状の反射面７２の面積は、内側か
ら外側に向けて単調増加しており、従って前記１パター
ンのピッチＰ₁〜Ｐ_nにおける反射面７２の占める割合も
内側から外側に（Ｐ₁からＰ_nに）向けて一定比率で増加
している。

【００２６】一方、インデックススケール２１は、図１
１に示すようにクロム蒸着面が形成されたガラス板より
なり、該クロム蒸着面の前記発光素子６０の対応位置に
はＹ軸に平行な出射スリット７４ａ，７４ｂ及びＸ軸に
平行な出射スリット７４ｃ，７４ｄが設けられている。
さらに前記クロム蒸着面の前記受光素子６２ａ，…６２
ｄのそれぞれの対応位置である前記各出射スリット７４
の外側には、入射スリット７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７
６ｄが形成されている。このため、発光素子６０から出
射した光Ｌは、例えば二次光源となる出射スリット７４
ａを介して出射し、メインスケール２２の縞状格子６８
の内、Ｙ軸方向に平行な透過面７０ａと反射面７２ａの
縞状で一部反射され、入射スリット７６ａを介して受光
素子６０ａに受光される。

【００２７】すなわち、メインスケール２２の縞状格子
６８上に照射された光の内、透明面７０に照射された光
は反射されず、反射面７２に照射された光のみが反射し
て入射スリット７６ａ方向に進行する。そして、前記縞
状格子６８は、前述したように透明面７０と反射面７２
の１パターンのピッチＰ₁〜Ｐ_nにおける反射面７２の占
める割合が内側から外側に向けて一定比率で増加してい
るため、前記光Ｌが照射する位置が縞状格子６８の外側
にいく程、反射される光が増し、受光素子６０での受光
量も増大する。すなわち、メインスケール２２のＸ方向
位置は受光素子６２ａの受光量に反映することとなるた
め、受光量変化を検出することによりメインスケール２
２のＸ方向変位を把握することができることとなる。な
お、受光素子６２ａ，６２ｂの出力は図１２に示す回路
により差動増幅された電圧出力とされる。

【００２８】すなわち受光素子６２ａ，６２ｂはそれぞ
れフォトトランジスタよりなり、そのフォトトランジス
タ６２ａの電流出力Ｉ_aは、並列接続されたオペレーシ
ョンアンプ８０及び半固定抵抗８２よりなる電流・電圧
変換アンプ８４により電圧変化として出力される。ま
た、フォトトランジスタ６２ｂの電流出力Ｉ_bは、同様
の構成を有する電流・電圧変換アンプ８６により電圧変
化として出力される。各フォトトランジスタ６２ａ，６
２ｂの電流出力Ｉ_a，Ｉ_bは図１３に示すように逆位相で
あることから、並列接続された抵抗８８及びオペレーシ
ョンアンプ９０よりなる差動増幅アンプ３４により差動
増幅することで、図１４に示すような電圧出力Ｖ_outを
得ることができる。

【００２９】なお、同様に、Ｙ軸方向の変位に対して
も、縞状格子６８のＸ軸方向に平行な透明面７０ｂと反
射面７２ｂ、出射スリット７４ｃ，７４ｄ、入射スリッ
ト７６ｃ，７６ｄ、受光素子６２ｃ，６２ｄが作用し、
優れたリニアリティを有した状態でＹ軸方向へのメイン
スケール２２の変位を検出することができる。ここで、
前記Ｘ軸及びＹ軸方向のメインスケール２２の変位量の
検出感度、及び検出可能な変位範囲は、縞状格子６８の
透明面７０と反射面７２の１パターンのピッチ幅、及び
ロ字状の反射面７２の内側から外側に向けての面積の増
加量によって変化する。

【００３０】表１及び表２には、前記１パターンのピッ
チ幅を変えた例が示されている。

【表１】 ──────────────────────────────────── P₁ P₂ P₃ ・・・・・・・・・・P_n-2 P_n-1 P_n ──────────────────────────────────── 反射面線幅（μｍ）２４６・・・・・・・・・・４６４８５０ ──────────────────────────────────── 透明面線幅（μｍ）４８４６４４・・・・・・・・・・４２０ ──────────────────────────────────── 反射面の比率（％）４８１２・・・・・・・・・・９２９６ 100 ────────────────────────────────────

【００３１】

【表２】 ──────────────────────────────────── P₁ P₂ P₃ ・・・・・・・・・・P_n-2 P_n-1 P_n ──────────────────────────────────── 反射面線幅（μｍ）２４６・・・・・・・・・・９６９８ 100 ──────────────────────────────────── 透明面線幅（μｍ）９８９６９４・・・・・・・・・・４２０ ──────────────────────────────────── 反射面の比率（％）２４６・・・・・・・・・・９２９６ 100 ──────────────────────────────────── 表１の縞状格子６８においては、前記１パターンのピッ
チ幅を５０μｍとし、反射面７２を形成するクロム線幅
を内側から外側へ１ピッチ当り２μｍづつ増加させてい
る。

【００３２】従って、ピッチＰ₁〜Ｐ_nまでのピッチ数は
２５となり、ピッチＰ₁〜Ｐ_nまでのトータルの長さは１
２５０μｍ（１．２５ｍｍ）となる。また、表２の縞状
格子６８においては、前記１パターンのピッチ幅を１０
０μｍとし、反射面７２を形成するクロム線幅を内側か
ら外側へ１ピッチ当り２μｍづつ増加させている。従っ
て、ピッチＰ₁〜Ｐ_nまでのピッチ数は５０となり、ピッ
チＰ₁〜Ｐ_nまでのトータルの長さは５０００μｍ（５ｍ
ｍ）となる。

【００３３】表１の例は、ピッチ幅を表２の例に比べ１
／２と短くし、クロム線幅の１ピッチ当りの増加量は表
２の例と同一としているため、内側から外側への１ピッ
チ中に占める反射面７２の比率の増加は、表２の例と比
較し表１の例の方が大きくなる。従って、同一変位量に
おいては、表１の例のように１パターンのピッチ幅を短
くする程、反射率が急激に変化するので検出感度は向上
する。なお、前記表１及び表２においては、１パターン
のピッチ幅を変えたが、反射面７２を形成するクロム線
幅の１ピッチ当りの増加量を増やしても同様に反射率の
変化は大きくなり検出感度は向上する。すなわち、１パ
ターンのピッチ幅、及び反射面７２の１ピッチ当りの増
加量（＝ピッチ数）によって決定されるピッチＰ₁〜Ｐ_n
までのトータルの長さが短い程、反射率が大きく変化し
検出感度は向上することとなる。従って、表１及び表２
の例においては、ピッチＰ₁〜Ｐ_nまでのトータルの長さ
の比が１．２５ｍｍ：５ｍｍ＝１：４であり、ピッチ幅
を１００μｍとした表２の例に比べピッチ幅を５０μｍ
とした表１の例の方が約４倍の検出感度を得ることがで
きる。

【００３４】一方、前記ピッチＰ₁〜Ｐ_nまでのトータル
の長さを長くすれば検出感度は下がってしまうが、当然
変位検出可能な位置範囲（前記図１４に示す−Ｐ_X〜＋
Ｐ_X）は広くなる。すなわち、メインスケール２２の変
位を検出できる位置範囲は、透明面７０及び反射面７２
により形成されている縞状格子６８に対応する範囲とな
るため、ピッチＰ₁〜Ｐ_nまでのトータルの長さが１．２
５ｍｍである表１の縞状格子６８に比べ、ピッチＰ₁〜
Ｐ_nまでのトータルの長さが５ｍｍである表２の縞状格
子６８の方が４倍の位置範囲においてメインスケール２
２の変位検出が可能となる。

【００３５】以上のように、前記縞状格子６８のピッチ
幅、及び反射面７２の１ピッチ当りの増加量を調節し、
ピッチＰ₁〜Ｐ_nまでのトータルの長さを適切な値に設計
することにより、幅広いダイナミックレンジを得ること
ができ、メインスケール２２の相対移動量の大きさに対
応した位置範囲において、高感度、高精度で変位検出が
可能となる。また、本実施例にかかる光電型エンコーダ
１８は、縞状格子６８を介した光量の変化による電圧値
を測定し、該電圧値のアナログ信号からメインスケール
２２の変位検出をしているため、回路がシンプルで小
型、安価な光電型エンコーダを得ることが可能となる。
なお、本実施例においては、反射面７２の面積を内側か
ら外側へ単調増加させた縞状格子６８の構成としたが、
該面積を内側から外側へ単調減少させても可能である。

【００３６】また、本実施例においては、透明面７０と
反射面７２からなる１パターンのピッチ幅を同一とし、
前記反射面７２の面積を内側から外側に向けて単調増加
させたが、必ずしも前記ピッチ幅を同一とする必要はな
く、例えばピッチ幅を内側から外側に向けて広げた場
合、１ピッチ中の反射面７２の占める割合（反射面７２
による反射率）が一定の比率で増加するように１ピッチ
中の反射面７２の面積を増加させればよい。また、前記
実施例においては磁石板の形状をドーナツ状としたが、
図１５（Ａ）に示すように磁石板の断面の形状を中央に
振動子が嵌合するための穴の開いた正四角形状、同図
（Ｂ）に示す八角形状、或いは同図（Ｃ）に示す十字形
状とすることも可能である。さらに、同図（Ｃ）に示す
ように磁石板の両端１２４ａ，１２４ｂのみを磁石とす
ることも可能である。

【００３７】磁石板はｘ軸方向とｙ軸方向の共振周波数
が等しいこと、すなわちダイナミックバランスが等しい
ことが要求される。さらに、前記実施例においては磁石
板のＮ極とＳ極とを振動子の軸芯を通るｙ軸で分け、励
振コイルを励磁させることにより磁石板と励振コイル間
に生じる曲げモーメントによって振動子を加振させてい
るが、図１６に示すように磁石板のＮ極とＳ極とを振動
子の軸芯を通るＹ軸、及び磁石板の中心を通る水平線に
よってそれぞれ接する部分を異極となるように分け、励
振コイルを励磁させることにより生じる磁力、すなわち
磁石板と励振コイル間のＸ軸方向への引きつけ、及び反
発力によって振動子を加振させることも可能である。ま
た、前記実施例においては加振手段を振動子の先端側に
設けたが、図１７に示すように振動子の固定側に設ける
ことも可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかる振動
ジャイロによれば、振動手段をＸ軸方向に対し４５度傾
けて加振しているため、入力角速度に対応するコリオリ
の力によりＸ軸及びＹ軸方向の両方に変位量の変動が生
じる。従って、前記Ｘ軸とＹ軸の変位量の差の変動量を
求めることにより、高感度、高精度の角速度検出が可能
となる。また、本発明の請求項３記載の振動ジャイロ
は、振動子を非接触で加振することとしたので、簡単な
構成で極めて正確な角速度検出を行なうことが可能とな
る。また、磁石部と励振コイルを近接して設け、前記励
振コイルに励磁電流を流すことによって発生する前記磁
石部の磁気モーメントで振動子を加振することとしたの
で、微少の励磁電流を励振コイルに流すだけで振動子が
加振され、さらに励振コイルも非常に小型化することが
可能となる。また、励振コイルの軸芯を振動子の軸芯と
同軸上としたので、高精度、かつ容易に組立が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる振動ジャイロの概略
構成の説明図である。

【図２】図１に示した振動ジャイロの磁石板の平面断面
図である。

【図３】，

【図４】，

【図５】図１に示した振動ジャイロの振動手段及び角速
度測定原理の説明図である。

【図６】図１に示した振動ジャイロの振動制御手段及び
角速度演算手段の説明図である。

【図７】図１に示した振動ジャイロに用いられる光電型
エンコーダの概略構成の説明図である。

【図８】図６に示した光電型エンコーダの発光素子及び
受光素子の配置の説明図である。

【図９】図６に示す光電型エンコーダのメインスケール
に形成された縞状格子の説明図である。

【図１０】図６に示す縞状格子の反射面の位置による面
積変化の説明図である。

【図１１】図６に示す光電型エンコーダのインデックス
スケールの説明図である。

【図１２】図６に示す光電型エンコーダの受光素子から
の信号の差動増幅回路の構成説明図である。

【図１３】，

【図１４】図１１に示した回路による信号処理状態の説
明図である。

【図１５】磁石板の形状例の説明図である。

【図１６】磁石板の分割例の説明図である。

【図１７】加振手段の設置位置の例の説明図である。

【符号の説明】

１０ … 振動ジャイロ１２ … ベース１４ … 振動子１８ … 変位検出手段２４ … 磁石板２６ … 励振コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ベースに立設された振動手段と、前記振動手段にＸ軸方向に対し所定角度傾いた方向の振
動力を印加する加振手段と、前記振動手段のＸ軸方向及びＹ軸方向への変位を検出す
る変位検出手段と、前記変位検出手段により検出された振動手段のＸ軸方向
への変位量とＹ軸方向への変位量の和より、前記振動手
段の振動制御を行う振動制御手段と、前記変位検出手段により検出された振動手段のＸ軸方向
への変位量とＹ軸方向への変位量の差の変動量より、角
速度を演算する角速度演算手段と、を備えたことを特徴
とする振動ジャイロ。
【請求項２】請求項１記載の振動ジャイロにおいて、
加振手段による振動手段の振動方向が、Ｘ軸方向に対し
４５度傾いた方向に加振されたことを特徴とする振動ジ
ャイロ。
【請求項３】請求項１記載の振動ジャイロにおいて加
振手段が、前記振動手段に設けられ、振動手段の軸芯を含む平面に
よってＮ極とＳ極とに分れた磁石部と、前記振動手段の軸芯と同軸上に軸芯を有するように円筒
状に巻回され、かつ前記磁石部に該円筒状の中央部内面
が近接するように配置された励振コイルと、を備え、前記励振コイルに周期的に励磁電流を流すことにより生
じる磁石部と励振コイル間の磁気モーメントによって前
記振動手段にＸ軸方向の振動力を印加することを特徴と
する振動ジャイロ。